UG NX在离心叶轮流道的数控加工研究应用

2013-05-18  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

龚环球 来源:e-works
关键字:离心叶轮 插补刀轴 流线
根据航空发动机离心叶轮的设计图纸和设计数据,在UG NX软件中构建三维实体模型,应用UG可变轴加工方法编制流道的流线型加工轨迹,经UG后置处理后得到HERMEL机床的零件数控程序,经过加工后检验达到设计要求,零件的加工质量得到了很大的改善。

1、前言
   
UG NX是先进的CAD/CAM软件,在计算机辅助设计和制造中发挥着重要的作用。航空发动机作为飞机的心脏,离心叶轮是航空发动机的核心零部件之一,它的加工质量直接影响到发动机的功率大小。叶轮分为离心叶轮、轴流叶轮。轴流叶轮的叶型一般为自由曲面构成,而离心叶轮的叶型一般为直纹面。同时,离心叶轮分单组叶片组成和大小叶片组成两种类型。具有大小叶片的离心叶轮的加工难度更大。大多数的读者经常会遇到同样的问题,每次遇到实际问题的时候,总希望通过查阅杂志资料能找到一些实用的文章,从中有所学,有所启发,但是,不知道什么原因,在各种杂志上发表的论文中,大多数的文章都只是泛泛而谈,点到为止,与UG NX软件的培训教材中所阐叙的没什么太大的区别,读完以后,还是不能学到一些可用的东西,更不能解决实际问题。本文将具体介绍应用UG NX软件辅助工具,构建离心叶轮的模型、叶轮流道流线型刀位轨迹的生成、经后置处理后得到机床的数控加工程序的全过程,希望个人的加工经验能得到更广泛的应用和更好的发展,为我们的数控加工技术的进步做出自己的一点努力,同时也希望更多的同行能发表更多实用的文章。
   
    2、叶轮曲面造型
   
直纹面离心叶轮由一系列直线组成叶片曲面,直纹面的直线由叶轮轮盖和轮榖上对应点生成。叶片的坐标点为文本格式,如下:
   
     30.298  87.966  -53.14 
   
     29.943  89.525  -53.432 
   
     29.63  90.868  -53.66 
   
     29.311  92.193  -53.88 
   
    ...
   
首先,将离心叶轮的设计数据文本导入到UG NX中,生成点,同时根据设计图纸做出轮毂和轮盖的截面线。
   

UG NX在离心叶轮流道的数控加工研究应用+应用技术图片图片1

    图1 叶型数据点

然后将轮盖和轮毂面上的对应点连成直线,将直线构成曲面,操作过程为:Insert-----Free  Form  Feature-----Through Curves。将轮毂截面线用旋转成型构成轮毂面操作过程为:Insert----  Form  Feature----Revolve
   

UG NX在离心叶轮流道的数控加工研究应用+应用技术图片图片2

    图2 叶轮模型

    3、数控程序的编制
   
UG NX的可变轴加工(VARIABLE CONTOUR)的几何元素包括零件面、检查面和驱动面。离心叶轮流道的加工中零件面为轮毂面,检查面为叶片曲面,驱动面为流道辅助面。
   
在三维可视化软件出现以前,流道的数控加工轨迹为不连续的刀位轨迹,而且加工的精度很低,轮廓度达不到设计的要求。而离心叶轮流道实现流线型加工后,流道的流线加工符合气流流动路线,从而使零件的加工质量得到了更好的保证,性能有较好的改善。为实现流道的流线型加工刀位轨迹,不能以整个轮毂面作驱动面,而需要作辅助曲面来做流道加工的驱动面(见图3)。
   
    3.1 驱动面的生成
   
将大小叶片曲面分别往流道一侧偏置,偏置距离为铣刀的半径R,Insert---Feature  Operation---Offset Face,然后得到偏置曲面与轮毂面的交线,而在流道的上端则要求作出一条流道的中分线,利用这几条曲线和边界线分别可以作出流道的两半部分驱动曲面(见图3中蓝色和黄色的两曲面)。
   

UG NX在离心叶轮流道的数控加工研究应用+应用技术图片图片3

    图3  驱动面的网格线

3.2 刀位轨迹的生成
   
一切准备工作做完以后,就可以编制刀位轨迹。这里需要确定好零件的加工面、干涉检查面、驱动面(Drive Method)刀具轴矢量(Tool Axis)和驱动面的投影矢量。这里的关键点在于确定刀具轴的矢量即刀具的摆动矢量。零件的加工面选择整个轮毂面,干涉检查面选择流道周围的叶片曲面,驱动面选择上步作的辅助曲面。刀具轴的矢量选用插补方式(Interpolate),当刀具轴(Tool Axis)选择插补方式以后,在驱动面的周围就出现两排刀轴矢量(见图4)。生成刀位轨迹后如果出现刀具与叶片曲面干涉,就可以点击刀具轴插补矢量,选择刀具干涉区域的刀轴矢量,该矢量变成蓝色,点击编辑(Edit),通过调整刀位矢量来避免干涉,最后生成的刀位轨迹如图5。
   

UG NX在离心叶轮流道的数控加工研究应用机械设计培训图片4

    图4  可变轴加工界面

UG NX在离心叶轮流道的数控加工研究应用机械设计培训图片5

    图5  刀轴插补矢量

UG NX在离心叶轮流道的数控加工研究应用机械设计培训图片6

        图6 流线型刀具轨迹

    
    3.3 后置处理
   
    应用UG NX软件的后置处理构建工具Post Builder建立Hermel机床的后置处理,经处理后的程序格式如下:
   
    %L01 G71 *
   
    N1 G00 X+0.64 Y+120.471 A-1.291 C+4.323 M126 *
   
    N2 S3000 M03 *
   
    N2 G00 Z+61.383 M08 *
   
    N4 G01 Z+11.385 F2000 *
   
    N5 X+5.447 Y+111.701 Z+11.347 A-1.291 C+4.323 F500 *
   
    N6 X+4.005 Y+110.879 Z+12.343 A-1.813 C+3.366 *
   
    ...
   
    N6743 X+9.369 Y+111.713 Z+8.834 A-0.005 C-5.501 *
   
    N6744 X+9.368 Y+111.808 Z+8.825 A+0 C-5.501 *
   
    N6745 G00 Z+200 *
   
    N6746 M09 *
   
    N6747 M05 *
   
    N999999 %L01 G71 *
   
    4、结论
    
随着UG NX的出现,具有大小叶片的离心叶轮流道的流线型加工轨迹成为可能。虽然在UG NX中还没有自动的叶轮流道加工方法,但是通过构建辅助曲面等方式,可以编制复杂零件的数控程序。同时为善于思考的工程技术人员提供了广阔的想象空间。


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